W波段E面波导滤波器

w波段e面波导滤波器
技术领域
1.本发明涉及滤波器领域，具体是一种w波段e面波导滤波器。


背景技术：

2.随着近十几年无线通信及卫星通信事业的广泛应用与发展，使得可用频谱资源日益紧张，无线通讯技术也从传统的微波通信向更高频段的毫米波通信发展。一般而言，人们研究的毫米波主要包括3mm，6mm，8mm波长的电磁波，其中3mm和8mm波长的电磁波分别对应微波频域划分中的w波段和ka波段；同时w波段和ka波段的电磁波由于在大气中衰减较小被称为大气的窗口。作为大气窗口之一的w波段电磁波由于其波长短，频带宽，频谱资源丰富，广泛的应用于雷达与制导、电子对抗、阵列成像、医疗检测、汽车防撞等系统中。毫米波滤波器是用来分离不同频率毫米波信号的一种器件，它的主要作用是抑制不需要的信号频率，使需要的信号频率顺利通过。金属波导滤波器因具有导体损耗和介质(腔内介质一般为空气)损耗小、功率容量大、没有辐射损耗等优点，广泛应用于毫米波通信、雷达、制导、遥感、卫星通信、无线通信以及军事电子对抗等多种领域。然而，传统的w波段波导滤波器基本采用的是金属腔体进行设计；同时设计者为了提高波导滤波器的选择特性，采用腔体之间的交叉耦合进行设计。虽然腔体之间的交叉耦合技术提高了波导滤波器的选择性，但其体积也随着附加腔体的增加加大了，同时加工难度和加工成本都增加了。
3.为了克服传统波导滤波器体积大、笨重的缺陷，在1974年首先由konishi提出了一种新的波导滤波器实现结构，即e面波导滤波器，该滤波器采用在波导对称面(e面)插入含有多个感性金属条带的金属片，其金属片上的各金属条带宽度及间隔经过理论分析获得。这种e面波导滤波器由于具有损耗小、q值高、成本低、加工方便及适合批量生产的优越性能，而得到了广泛的应用。然而，传统的w波段e面波导滤波器都是采用多个谐振单元或者多个谐振腔进行设计，这不仅增加了滤波器设计的复杂度，同时也增加了其体积和损耗。随着当今新兴w波段雷达系统的快速发展，对w波段波导滤波器的性能、尺寸、成本等要素也提出着越来越大的挑战和越来越苛刻的要求，传统的e面金属膜片波导滤波器已经不能完全满足现代雷达系统应用的要求。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是现有滤波器具有体积较大、结构复杂、带宽和中心频率可控性差、加工难度大和选择性较差的缺点，为了解决该问题，本发明提供一种w波段e面波导滤波器，其体积小、结构简单、带宽和中心频率灵活可控和矩形系数好。
5.本发明的内容为一种w波段e面波导滤波器，包括下腔体和上腔体，下腔体的上部与上腔体的下部连接，下腔体的上表面开设凹槽，凹槽内设置介质基板，介质基板上部设置金属箔层，介质基板下部设置下接地层，金属箔层有上接地层和小型化直线型多模谐振器，下接地层和上接地层通过上腔体和下腔体进行连接，小型化直线型多模谐振器关于凹槽的中心分别沿横向和纵向对称。
6.进一步地，所述的小型化直线型多模谐振器有五个横向的矩形金属箔条和三个纵向的矩形金属箔条，五个横向的矩形金属箔条分别为第一横矩形金属箔条、第二横矩形金属箔条、第三横矩形金属箔条、第四横矩形金属箔条和第五横矩形金属箔条，三个纵向的矩形金属箔条分别为第一纵矩形金属箔条、第二纵矩形金属箔条和第三纵矩形金属箔条，第一纵矩形金属箔条和第三纵矩形金属箔条分别与第二横矩形金属箔条的两端连接，第二纵矩形金属箔条分别与第一横矩形金属箔条、第二横矩形金属箔条、第三横矩形金属箔条、第四横矩形金属箔条和第五横矩形金属箔条连接，第一横矩形金属箔条和第五横矩形金属箔条关于第三横矩形金属箔条沿纵向对称，第二横矩形金属箔条和第四横矩形金属箔条关于第三横矩形金属箔条沿纵向对称，第一纵矩形金属箔条和第三纵矩形金属箔条关于第二纵矩形金属箔条沿横向对称。
7.进一步地，所述的上接地层有横向的第一上接地层和第二上接地层，第一上接地层和第二上接地层设置在小型化直线型多模谐振器的两侧，关于小型化直线型多模谐振器的中心沿横向对称。
8.进一步地，小型化直线型多模谐振器设计在第一上接地层和第二上接地层之间，关于第一上接地层和第二上接地层的中心分别沿横向和纵向对称。
9.进一步地，所述的下接地层有横向的第一下接地层和第二下接地层，第一下接地层和第二下接地层分别位于凹槽内的两侧。
10.进一步地，所述的凹槽有第一凹槽和第二凹槽。
11.进一步地，所述的下腔体的上表面开设下空气腔，上腔体的下表面对应开设上空气腔，下空气腔与凹槽相通。
12.进一步地，所述的下腔体和上腔体上分别开设数个连接孔，连接孔内对应设置连接件。
13.进一步地，所述的下腔体上分别开设第一销钉孔、第二销钉孔和第一空孔，上腔体上分别开设第三销钉孔、第四销钉孔和第二空孔。
14.进一步地，所述的介质基板安插在下腔体开设的凹槽内与上腔体共同构成w波段e面波导滤波器。w波段e面波导滤波器结构中心为原点，介质基板的短边为x轴，介质基板的长边为y轴，按照右手法则确定z轴，w波段e面波导滤波器结构关于y轴对称，介质基板关于x轴左右对称，关于y轴上下对称，小型化直线型多模谐振器关于x轴左右对称，关于y轴上下对称。
15.本发明的有益效果是，本发明将设置有第一谐振单元的介质基板设置在下腔体和上腔体内，可以减小w波段e面波导滤波器的体积，降低w波段e面波导滤波器的设计复杂度，提高w波段e面波导滤波器的设计灵活性。本发明结构简单和紧凑、加工难度低、中心频率和带宽灵活可控、性能优异，具备很好的设计自由度和矩形系数，可以根据不同应用的需求，通过合理地调整各参数大小来达到设计目的，可以被广泛应用于w波段雷达系统的各个领域之中。
附图说明
16.附图1为本发明的结构示意图；
17.附图2为本发明的金属箔层结构示意图；
18.附图3为本发明的下接地层结构示意图；
19.附图4为本发明的下腔体结构示意图；
20.附图5为本发明的上腔体结构示意图；
21.附图6为本发明的上腔体和下腔体组合后的结构示意图；
22.附图7为本发明中w波段e面波导滤波器在电磁仿真软件hfss中的仿真模型；
23.附图8为本发明中所述第三横矩形金属箔条在不同长度时，w波段e面波导滤波器的传输系数(s21)在电磁仿真软件hfss中随频率(frequency)变化的示意图；
24.附图9为本发明所述第一横矩形金属箔条，第五横矩形金属箔条在不同长度时，w波段e面波导滤波器的传输系数(s21)在电磁仿真软件hfss中随频率(frequency)变化的示意图；
25.附图10为本发明所述第二横矩形金属箔条,第四横矩形金属箔条在不同长度时，w波段e面波导滤波器的传输系数(s21)在电磁仿真软件hfss中随频率(frequency)变化的示意图；
26.附图11为本发明利用hfss电磁仿真软件最终仿真结果。
27.在图中，1、金属箔层2、介质基板3、下接地层31、第一下接地层32、第二下接地层4、下腔体41、螺钉孔42、螺钉孔43、螺钉孔44、螺钉孔45、第一凹槽46、第二凹槽47、销钉孔48、销钉孔49、下空气腔410、第一空孔411、第一销钉孔412、第二销钉孔5、上腔体51、螺钉孔52、螺钉孔53、螺钉孔54、螺钉孔55、销钉孔56、销钉孔57、下空气腔58、第二空孔59、第三销钉孔510、第四销钉孔6、小型化直线型多模谐振器61、第一横矩形金属箔条62、第二横矩形金属箔条63、第三横矩形金属箔条64、第四横矩形金属箔条65、第五横矩形金属箔条66、第一纵矩形金属箔条67、第二纵矩形金属箔条68、第三纵矩形金属箔条7、上接地层71、第一上接地层72、第二上接地层。
具体实施方式
28.如附图1
‑
7所示，一种w波段e面波导滤波器，包括下腔体4和上腔体5，下腔体4的上部与上腔体5的下部连接，下腔体4的上表面开设凹槽，凹槽内设置介质基板2，介质基板2下部设置下接地层3，介质基板2上部设置金属箔层1，金属箔层1有小型化直线型多模谐振器6、上接地层7，下接地层3和上接地层7通过上腔体5和下腔体4进行连接，小型化直线型多模谐振器6关于上接地层7的中心分别沿横向和纵向对称。介质基板2可以为厚度0.127mm的rogers5880基板。所述的介质基板2安插在下腔体4开设的凹槽内与上腔体5共同构成w波段e面波导滤波器。w波段e面波导滤波器结构中心为原点，介质基板2的短边为x轴，介质基板2的长边为y轴，按照右手法则确定z轴，w波段e面波导滤波器结构关于y轴对称，介质基板2关于x轴左右对称，关于y轴上下对称，小型化直线型多模谐振器6关于x轴左右对称，关于y轴上下对称。这种结构将设置有小型化直线型多模谐振器6的介质基板2设置在下腔体4和上腔体5内，可以减小w波段e面波导滤波器的体积，降低w波段e面波导滤波器的设计复杂度，提高w波段e面波导滤波器的设计灵活性。这种结构简单和紧凑、加工难度低、中心频率和带宽灵活可控、性能优异，具备很好的设计自由度和矩形系数，可以根据不同应用的需求，通过合理地调整小型化直线型多模谐振器各参数大小来达到设计目的，可以被广泛应用于w波段雷达系统的各个领域之中。下腔体4和上腔体5的材质均可以采用铜，并在表面镀金处
理。
29.所述的小型化直线型多模谐振器6有五个横向的横矩形金属箔条和三个纵向的纵矩形金属箔条，五个横向的横矩形金属箔条分别为第一横矩形金属箔条61、第二横矩形金属箔条62、第三横矩形金属箔条63、第四横矩形金属箔条64和第五横矩形金属箔条65，三个纵向的矩形金属箔条分别为第一纵矩形金属箔条66、第二纵矩形金属箔条67和第三纵矩形金属箔条68，第一纵矩形金属箔条66和第三纵矩形金属箔条68分别与第二横矩形金属箔条63的两端连接，第二纵矩形金属箔条67分别与第一横矩形金属箔条61、第二横矩形金属箔条62、第三横矩形金属箔条63、第四横矩形金属箔条64和第五横矩形金属箔条65连接。第一横矩形金属箔条61和第五横矩形金属箔条65关于第三横矩形金属箔条63沿纵向对称，第二横矩形金属箔条62和第四横矩形金属箔条64关于第三横矩形金属箔条63沿纵向对称，第一纵矩形金属箔条66和第三纵矩形金属箔条68关于第二纵矩形金属箔条67沿横向对称；小型化直线型多模谐振器6关于上接地层7的中心分别沿横向和纵向对称，小型化直线型多模谐振器6印刷在厚度为0.127mm的rogers5880基板上，小型化直线型多模谐振器6的厚度为0.017mm。第三横矩形金属箔条63长为1.45mm，宽为0.1mm。本发明中所述横矩形金属箔条63在不同长度时，w波段e面波导滤波器的传输系数(s21)在电磁仿真软件hfss中随频率(frequency)变化如图8所示；从仿真结果可以看出，w波段e面波导滤波器在其上、下阻带各产生一个传输零点，改变所述直线型小型化多模谐振器6中的第三横矩形金属箔条63的长度可以改变下阻带传输零点的谐振频率，上阻带传输零点的谐振频率基本保持不变；第三横矩形金属箔条63长度减小，下阻带传输零点的谐振频率往低频移动，即w波段e面波导滤波器的带宽变宽；由此可知，本发明w波段e面波导滤波器的带宽可通过改变小型化直线型多模谐振器6的第三横矩形金属箔条63的长度来灵活控制。第一横矩形金属箔条61和第五横矩形金属箔条65的长为0.98mm，宽为0.1mm。本发明所述第一横矩形金属箔条61，第五横矩形金属箔条65在不同长度时，w波段e面波导滤波器的传输系数(s21)在电磁仿真软件hfss中随频率(frequency)变化如图9所示；从仿真结果可以看出，改变所述直线型小型化多模谐振器6中的第一横矩形金属箔条61，第五横矩形金属箔条65的长度可以改变w波段e面波导滤波器上阻带传输零点的谐振频率,下阻带传输零点的谐振频率基本保持不变；第一横矩形金属箔条61，第五横矩形金属箔条65的长度增加，上阻带传输零点的谐振频率往低频移动，即w波段e面波导滤波器的带宽变窄；因此，本发明w波段e面波导滤波器的带宽也可通过改变小型化直线型多模谐振器6的第一横矩形金属箔条61和第五横矩形金属箔条65的长度来灵活控制。第二横矩形金属箔条62和第四横矩形金属箔条64的长为1.2mm，宽为0.1mm。本发明所述第二横矩形金属箔条62,第四横矩形金属箔条64在不同长度时，w波段e面波导滤波器的传输系数(s21)在电磁仿真软件hfss中随频率(frequency)变化如图10所示；从仿真结果可以看出，改变所述直线型小型化多模谐振器6中的第二横矩形金属箔条62，第四横矩形金属箔条64的长度可以改变w波段e面波导滤波器的中心频率；第二横矩形金属箔条62，第四横矩形金属箔条64的长度增加，w波段e面波导滤波器的中心频率往低频移动；因此，改变所述直线型小型化多模谐振器6中的第二横矩形金属箔条62，第四横矩形金属箔条64的长度可以灵活控制w波段e面波导滤波器的中心频率。若改变第一横矩形金属箔条61，第二横矩形金属箔条62，第三横矩形金属箔条63，第四横矩形金属箔条64，第五横矩形金属箔条65的宽度也都可以改变上阻带和下阻带传输零点的谐振频率；在实际中根据
现有的加工精度，最终确定第一横矩形金属箔条61，第二横矩形金属箔条62，第三横矩形金属箔条63，第四横矩形金属箔条64，第五横矩形金属箔条65的宽度都为0.1mm。第一纵矩形金属箔条66和第三纵矩形金属箔条68的长度为1mm，宽度为0.1mm。第二纵矩形金属箔条67的长度为1.02mm，宽度为0.1mm。第三纵矩形金属箔条68的长度为1mm，宽度为0.1mm。在实际的设计中，若改变第一纵矩形金属箔条66，第二纵矩形金属箔条67，第三纵矩形金属箔条68的长度和宽度也都可以改变上阻带和下阻带传输零点的谐振频率；从仿真结果和结构不难发现，本发明所提出的小型化直线型多模谐振器6不仅结构简单和紧凑，加工难度低，同时带宽和中心频率灵活可调，其非常适合低成本、低重量、性能优异、结构简单和紧凑、设计灵活的w波段e面波导滤波器的设计。
30.所述的上接地层7有横向的第一上接地层71和第二上接地层72，第一上接地层71和第二上接地层72设置在小型化直线型多模谐振器6的两侧，关于小型化直线型多模谐振器6的中心沿横向对称，这样设计不仅能够保证w波段e面波导滤波器结构紧凑，同时也能够保证其沿x轴和y轴的对称性。将第一上接地层71和第二上接地层72印刷在介质基板2上，厚度为0.017mm，其长度为0.68mm，以使的所述介质基板2能够很好的与金属矩形波导上腔体5的下表面良好接触，同时也能够保证所述介质基板2结构紧凑；若所述介质基板上接地层介质基板2上接地层7沿y轴的长度太短，则不能保证所述介质基板2能够很好的与金属矩形波导上腔体5的下表面良好接触；若所述介质基板2的上金属接地层7沿y轴的长度太长，不仅加大了介质基板2的体积，同时有可能在金属矩形波导上腔体5和金属矩形波导下腔体4在挤压的过程中导致介质基板2变形；小型化直线型多模谐振器6位于第一上接地层71和第二上接地层72之间，关于上接地层7的中心分别沿横向和纵向对称，小型化直线型多模谐振器6距离第一上接地层71和第二上接地层72的距离沿x轴为0.135mm，这样设置不仅能够保证w波段e面波导滤波器结构紧凑，同时也能够保证w波段e面波导滤波器沿x轴对称。小型化直线型多模谐振器6距离第一上接地层71和第二上接地层72的距离沿y轴为0.785mm，这样设置不仅能够保证w波段e面波导滤波器具有好的回波损耗，同时也能够保证w波段e面波导滤波器沿x轴对称。
31.所述的下接地层3有横向的第一下接地层31和第二下接地层32，第一下接地层31和第二下接地层32分别位于凹槽内的两侧。第一下接地层31和第二下接地层32印刷在介质基板2上，厚度为0.017mm，沿x轴的长度为0.68mm，以使所述介质基板2能够很好的安装在金属矩形波导下腔体4所开设的第一凹槽45，第二凹槽46中，同时也能够保证所述介质基板2的下接地层与金属矩形波导下腔体4的上表面良好接触；所述第一下接地层31和第二下接地层32关于所述介质基板2的中心沿x轴对称，这样进一步的以保证介质基板2与金属矩形波导下腔体4的上表面接触；介质基板上接地层7和所述介质基板下接地层3共同作用能够保证介质基板2的地与金属矩形波导下腔体4和金属矩形波导上腔体5组合成的腔体地实现良好的接触，进而抑制w波段e面波导滤波器高次模的产生。
32.所述的凹槽有第一凹槽45和第二凹槽46。这种结构便于将介质基板2置入凹槽内，能够更进一步的减少w波段e面波导滤波器的体积。第一凹槽45和第二凹槽46与下空气腔49相连通，这样能够保证w波段射频信号的顺利通过，将介质基板2置入凹槽内从而实现w波段e面波导滤波器的结构。第一凹槽45和第二凹槽46沿x轴的宽度为0.7mm，沿y轴的长度为3.22mm，沿z轴的深度为0.15mm，这样能够使介质基板2更好的安装在第一凹槽45和第二凹
槽46内，防止w波段射频信号的泄露。
33.所述的下腔体4的上表面开设下空气腔49，上腔体5的下表面对应开设上空气腔57，下空气腔49与凹槽相通。下空气腔49与上空气腔57共同构成标准的w波段矩形波导谐振腔，输入、输出口为标准的矩形波导口wr10(a＝1.27mm，b＝2.54mm)。
34.所述的下腔体4和上腔体5上分别开设数个连接孔，连接孔内对应设置连接件。连接孔可以是螺钉孔、销钉孔等，连接件可以是螺钉、销钉等。图中标号41、42、43、44、51、52、53和54均为螺钉孔，螺钉孔内对应设置螺钉。47、48、55和56均为销钉孔，销钉孔内对应设置销钉。销钉孔直径均为1.65mm，螺钉孔直径均为2mm。
35.为了便于下腔体4和上腔体5与其它器件的连接，所述的下腔体4上分别开设第一销钉孔411、第二销钉孔412和第一空孔410，上腔体5上分别开设第三销钉孔59、第四销钉孔510和第二空孔58。销钉孔直径均为1.65mm，空孔直径均为3mm。
36.所述的上接地层7和下接地层3通过上腔体4的下表面和下腔体5的上表面进行连接，当上腔体4和下腔体5通过螺钉进行固定时，就能够保证上接地层和下接地层的良好连接，同时也能够保证上接地层7和下接地层3与腔体地的良好接触。
37.下空气腔49与上空气腔57沿x轴的深度均为1.27mm，沿y轴的长度为均13mm，沿z轴的深度均为1.27mm。
38.销钉孔直径均为1.65mm，螺钉孔直径均为2mm，空孔直径均为3mm。
39.介质基板2沿x轴的长度为2.67mm，沿y轴的长度为3.21mm。
40.所述小型化直线型多模谐振器的第一横矩形金属箔条61和第五横矩形金属箔条65沿x轴的长度为0.98mm，沿y轴的宽度为0.1mm，沿z轴的厚度为0.017mm；第一横矩形金属箔条61和第五横矩形金属箔条65与第三横矩形金属箔条63沿x轴的间距为0.3mm；第二横矩形金属箔条62和第四横矩形金属箔条64沿x轴的长度为1.2mm，沿y轴的宽度为0.1mm，沿z轴的厚度为0.017mm；第二横矩形金属箔条62和第四横矩形金属箔条64与第三横矩形金属箔条63沿x轴的间距为0.1mm；第三横矩形金属箔条63沿x轴的长度为1.45mm，沿y轴的宽度为0.1mm，沿z轴的厚度为0.017mm；第一纵矩形金属箔条66和第三纵矩形金属箔条68的长度为1mm，宽度为0.1mm，沿z轴的厚度为0.017mm；第二纵矩形金属箔条b(67)的长度为1.02mm，宽度为0.1mm，沿z轴的厚度为0.017mm；小型化直线型多模谐振器6距离第一上接地层a(71)和第二上接地层b(72)的距离沿x轴为0.135mm，沿y轴为0.785mm。
41.所述上腔体5和下腔体4沿x轴的长度均为19mm，沿y轴的长度均为13mm，沿z轴的长度均为9.5mm，腔体的长度13mm是为了保证在实际的加工测试中便于加工和测试。
42.上述尺寸均结合了实际的电路设计基础、理论分析和仿真验证，同时根据设计加工精度设计而确定的，这样既保证了设计的理论准确性，同时也保证了实际加工的精确可行性。
43.第一凹槽45和第二凹槽46沿x轴的长度均为0.7mm，沿y轴的长度均为13mm，沿z轴的深度均为0.15mm。
44.本发明结构性能优异，结构简单和紧凑，中心频率和带宽灵活可控，加工成本低。本发明将新型的小型化直线型多模谐振器用在w波段e面波导滤波器结构的设计中，使得在滤波器的上阻带产生2个传输零点和在其下阻带产生1个传输零点，进而使得w波段e面波导滤波器具有高的带外抑制和矩形系数。本发明w波段e面波导滤波器结构具备很好的设计自
由度，可以根据不同应用的需求，通过合理地调整小型化直线型多模谐振器的各参数大小来达到设计目的，所以很容易被推广到各领域的毫米波射频电路应用之中。